Мельничук Сергій Вікторович. Екструзійний пластмасовий сцинтилятор для експериментів фізики високих енергій

Краткое описание

Мельничук Сергій Вікторович. Екструзійний пластмасовий сцинтилятор для експериментів фізики високих енергій. : Дис... канд. наук: 05.02.01 2007

Мельничук С.В. Екструзійний пластмасовий сцинтилятор для експериментів фізики високих енергій. -Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.01 матеріалознавство. Інститут монокристалів НАН України, Харків, 2006.
Дисертація присвячена створенню високоефективного способу отримання довгомірних пластмасових сцинтиляторів (ПС), що відрізняються підвищеними функціональними та експлуатаційними характеристиками. Проведено теоретичне та експериментальне дослідження світлозбирання в довгомірних ПС з волоконним збором світла. Отримано кількісні залежності ефективності світлозбирання від властивостей сцинтиляційного матеріалу на світловідбиваючого покриття, сформульовано вимоги до нового матеріалу, що має забезпечувати покращенні функціональні характеристики. Запропоновано спосіб отримання ПС методом безшнекової екструзії з використанням спеціально синтезованого розплаву полімеру. Визначено вплив технологічних режимів отримання ПС стрипів на їх сцинтиляційні характеристики. Проведено оптимізацію складу та способу нанесення світловідбиваючого покриття на ПС. На основі проведених досліджень розроблено оптимальні режими виготовлення, що дозволяють отримувати довгомірні ПС, які за об'ємною довжиною згасання світла та світловим виходом перевищують кращі світові аналоги. Вивчено стабільність характеристик та прогнозовано термін використання отриманих сцинтиляторів.

У дисертаційній роботі розроблено науково-технічні основи одержання полістирольних сцинтиляційних стрипів методом екструзії (на базі встановлених закономірностей світлозбирання в довгомірних ПС з WLS-волокном та вивчених залежностей сцинтиляційних властивостей від режимів та методів отримання), та досліджено експлуатаційні характеристики отриманих ПС стрипів. Основні результати можна сформулювати таким чином:

Проведено розрахунки світлозбирання у ПС стрипах моделюванням методом Монте Карло та з використанням моделі світломірної кулі. Показано, що для аналітичних оцінок світлозбирання можливо використання моделі світломірної кулі. Кількісно встановлено, що на світловий вихід ПС стрипів з волоконним збором світла ефективно впливають довжина згасання світла полістирольної композиції (BAL) у межах 50-150 см та коефіцієнт відбиття покриття R не менш 93%.
Встановлено, що тільки одночасне досягнення наведених властивостей матеріалу сцинтилятора забезпечить підвищення світлового виходу в 1,3-1,5 раз порівняно з сучасним світовим рівнем.
Розроблено спосіб отримання сцинтиляційних стрипів методом екструзії, що включає полімеризацію в масі суміші стиролу та люмінесцентних добавок з одержанням розплаву сцинтиляційного полістиролу, та екструзію отриманого розплаву без охолодження під впливом тиску інертного газу.
Вивчено вплив якості вихідної сировини (стиролу та добавок), антиокисних умов проведення полімеризації та особливостей параметрів формування при екструзії на об'ємну довжину згасання та світловий вихід отриманих ПС стрипів. Віднайдено технологічні режими та прийоми (температура розплаву, тиск, швидкості екструзії, температура охолодної ванни), що дозволяють одержувати сцинтиляційні стрипи, матеріал яких характеризується високою довжиною згасання BAL = 130-150 см та світловим виходом, збільшеним у 1,4-1,5 раз в порівнянні з існуючими способами одержання.
За результатами дослідження впливу типу покриття, концентраційних залежностей, реологічних властивостей та умов формування покриття досягнуто високий коефіцієнт дифузного відбиття 96-97 %, що дозволяє збільшити світловий вихід сцинтиляційних стрипів. Проведено теоретичне та експериментальне порівняння різних способів нанесення покриття на сцинтилятор. Обраний метод коекструзії та вдосконалення конструкції коекструзійної насадки забезпечили високу рівномірність нанесення (±30 мкм) при великих швидкостях екструзії (до 200 см/хв).
Досліджено способи формування канавки під світловод екструзійним способом і механічним фрезеруванням. Показано, що спосіб формування канавки під волокно не впливає на світловий вихід сцинтиляційних стрипу. Перевагою способу механічного фрезерування є більш точне збереження геометричних розмірів профілю в порівнянні з екструзійним способом.
За результатами прискорених іспитів досліджено вплив факторів старіння на сцинтиляційні характеристики різних типів сцинтиляційних стрипів. Визначено прогнозований термін стабільності характеристик сцинтиляційних стрипів -10-12 років.
На основі проведених досліджень розроблено та впроваджено в виробництво технологічний регламент отримання ПС стрипів методом екструзії з розплаву. Виготовлено сцинтиляційні стрипи: для детектора OPERA 10,626,37000 мм, для установки університету Stanford (США) 10502000 мм і 20502000 мм, що по сукупності параметрів перевищують аналоги FNAL (США), PolHiTech (Італія), ChemoTechnique (Франція).